CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006 20

INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU CONDUCEREA UNUI VEHICUL GHIDAT AUTOMAT

Georgel Gabor*, Iosif Olah**

*”Gh. Asachi” Technical University of Ia�i, Departament of Automatic Control and Applied Informatics, Student in Master of science, e-mail: georgelgab@yahoo.com

**"Gh. Asachi" Technical University of Ia�i, Dept. of Automatic Control and Applied Informatics, Str. Horia 9-11, RO-700050, Ia�i, ROMANIA

Tel: 032 116502, Fax: 032 214290, e-mail:iolah@ac.tuiasi.ro

Abstract –Virtual instrumentation is successfully applied in many fields: production, research, medical, aeronautical etc. Starting from this fact, the authors have done theoretical research followed by experimental achievement for Autonomous Guided Vehicle (AGV) using Virtual Instrumentation. The research and experimental achievement illustrate that by using new and improved hardware and virtual instrumentation implemented in LabVIEW programming language is possible to obtain hierarchical and flexible control systems with AGV. Index Terms—LabVIEW, Industrial robot, Autonomous Guided Vehicle (AGV), Step by step motor.

1. INTRODUCERE

Subsistemele logistice ale unor sisteme de fabrica�ie moderne utilizeaz�, pentru manipularea �i transportul materialelor, pieselor, semifabricatelor �i produselor finite, diverse structuri robotice [1],[2]: bra�e manipulatoare, vehicule ghidate automat (numite �i platforme mobile sau c�rucioare de transport) �i chiar structuri p��itoare ([3], [5]) în locul sistemelor tradi�ionale de transport �i manipulatoare manuale. În acest fel cre�te sensibil flexibilitatea �i productivitatea sistemelor de fabrica�ie în care opera�iile de deservire, paletizare, depaletizare etc. ocup� un volum mare de activitate [4].

Primele cercet�ri asupra unor vehicule ghidate automat (robo�i mobil) au fost realizate în S.U.A, în jurul anilor 1975. De�i a trecut o perioad� destul de îndelungat� de la primele cercet�ri, totu�i, la ora actual�, se constat� înc� o lips� de informa�ii coerente despre solu�iile adoptate de diverse firme constructoare �i despre performan�ele diverselor solu�ii. Cercet�rile actuale, în domeniu, sunt îndreptate spre proiectarea �i testarea unor solu�ii constructiv-func�ionale noi, spre proiectarea �i realizarea unor componente electronice �i electrice noi precum �i spre problema navig�rii propriu-zise, în vederea urm�ririi optime a unor traiectorii impuse de scena de operare a sistemului de fabrica�ie respectiv.

Arhitecturile prezentate în literature de specialitate sunt destul de variate, motricitatea fiind asigurat� prin intermediul unor ro�i motoare, ac�ionate individual, de preferin�� cu motoare de curent continuu sau pas cu pas electrice.

În aceast� lucrare sunt continuate �i dezvoltate cercet�rile anterioare ale colectivului de autori privind aplicarea instrumenta�iei virtuale în diverse domenii ale cercet�rii sau tehnicii: regl�ri de temperatur� în diverse instala�ii termice industriale (cu stabilizare sau dup� program), comanda unor servomotoare (de curent continuu, pas cu pas), reglarea nivelelor lichidelor în vase tehnologice, controlul for�ei de strîngere în dispozitive de prehensiune etc.

Astfel, lucrarea a avut ca scop realizarea unor structuri hardware �i software care s� permit� efectuarea unor studii teoretice �i experimentale privind conducerea dup� traiectorii dorite ale unor vehicule ghidate automat. În acest scop s-a realizat, mai întâi, o platform� mobil�, de dimensiuni reduse, echipat� cu dou� motoare electrice pas cu pas (MPP) �i o roat� liber�. MPP ac�ioneaz� cele dou� ro�i motoare �i permit, în urma unor comenzi corespunz�toare, realizarea urm�ririi unei traiectorii dorite.

G. GABOR, I. OLAH – INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU CONDUCEREA UNUI VEHICUL GHIDAT AUTOMAT 21

Pentru comanda MPP s-a adoptat perechea de de circuite integrate specializate L297 – L298N, produse de firma SGS Thomson Microelectronic [8], pentru care au fost proiectate �i realizate circuitele aferente. Partea de software a fost dezvoltat� în mediul de dezvoltare LabVIEW, [6], [7] rezultând în acest fel un ansamblu hardware – software flexibil, care permite efectuarea unor studii �i cercet�ri experimentale de laborator, dat fiind dimensiunile reduse ale platformei mobile.

Secven�ele filmate pun în eviden�� utilitatea cercet�rilor realizate în cadrul lucr�rii de fa��. 2. PROIECTAREA HARDWARE A VEHICULULUI GHIDAT AUTOMAT

Structura mecanic� s-a ales sub forma unei platforme dreptunghiulare pe care se dispune

sarcina de manipulat. Deplasarea robotului mobil este realizat� cu ajutorul a trei ro�i din care dou� sunt motoare �i una este directoare, liber�. Schema principal� a sistemului este prezentat� în Fig. 1.

Fig. 1. Schema principal� a sistemului proiectat

Sistemul cuprinde urm�toarele elemente principale: un calculator pe care este instalat mediul de dezvoltare LabVIEW, o pac� de achizi�ii LabPC+ (NATIONAL INSTRUMENTS) montat� intr-unul din sloturile PCI ale calculatorului, dou� circuite de comand� (CC1 �i CC2) realizate cu circuite integrate L297 �i L298N [8] alimentate de la surse separate, dou� motoare pas cu pas electrice (MPP1 �i MPP2 cu pasul 1.80/0.2N) care constituie sistemul de ac�ionare al robotului mobil din care fac parte.

Sistemele de pozi�ionare, în care se folosesc MPP, solicit� adesea un unghi de pas mic �i în consecin�� un num�r de pa�i pe rota�ie m�rit (rezolu�ie mare). Aceasta se poate realiza dac� se men�ine num�rul de poli aparen�i egal, de exemplu cu 8, în cazul MPP cu num�rul de faze m=4 (A, B, C, D - circuite de comand�) �i se execut� mai mul�i din�i pe fiecare suprafa�� polar�.

În Fig. 2 se prezint� un astfel de MPP cu caracteristicile: • num�rul de faze (circuite de comand�) m=4 (A, B, C, D); • num�r de poli pe stator: 2*ps=8; • �p=1.8 o; • 200 pa�i/rota�ie; • impuls bipolar.

22 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

1

2

5

6

7

8

4

3

1 2 34

6

5

78

910111213

14

15

1617

18

Fig. 2. MPP cu �p=1.8o, 200 pa�i/rota�ie

Circuitul de comand� (Fig. 3) pentru un singur motor, realizat cu circuite integrate L297 �i L298N, permite comanda bipolar� a unui motor prin intermediul a dou� pun�i PWM complete (L298N).

Fig. 3. Schema circuitului de control Circuitul L297 se caracterizeaz� prin aceea c� poate genera trei secven�e de comand�:

normal (dou� faze excitate), wave drive (o faz� excitat�) �i half-step (alternativ o faz�/dou� faze excitate). Forma de realizare a vehiculului ghidat automat împreun� cu circuitul de comand� poate fi observat� în Fig. 4 �i Fig. 5.

G. GABOR, I. OLAH – INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU CONDUCEREA UNUI VEHICUL GHIDAT AUTOMAT 23

Fig. 4 Structura hard a vehiculului ghidat Fig.5 Circuitul de comand�

automat Deoarece vehiculul realizat (Fig. 4) este unul demonstrativ, de laborator, f�r� greut��i

necesare de transportat, alegerea dimensiunilor s-a bazat exclusiv pe criterii func�ionale, neglijând calculele de rezisten�� care s-ar impune în caz contrar.

Pentru o bun� manevrare �i o stabilitate a platformei, în spa�iile neaccidentate în care va evolua vehiculul ghidat automat, este necesar ca ro�ile motoare s� fie suficient de distan�ate pentru a p�stra centrul de greutate într-o suprafa�� cât mai mare.

S-a ales solu�ia pozi�ion�rii celor trei ro�i într-un triunghi isoscel cu ro�ile motoare amplasate pe latura mai scurt� �i cu roata liber� în vârful format de cele dou� laturi egale. Pentru proiectarea dimensiunilor ro�ilor, �inând cont de faptul c� nu sunt impuse restric�ii de rezisten��, s-au ales dimensiuni în func�ie de materialele disponibile. Roata liber� este astfel executat� încât s� permit� rotirea în jurul axei proprii, pentru a nu limita în nici un fel posibilit��ile de deplasare a vehiculului.

3. PROIECTAREA SOFTWARE A CONDUCERII VEHICULULUI GHIDAT AUTOMAT

Mediul de programare LabVIEW [7] combin� un limbaj de programare grafic cu un mediu de dezvoltare performant care simplific� procesul de elaborare al software-ului specific instrumenta�iei virtuale.

Instrumentele virtuale dezvoltate în LabVIEW se compun din dou� p�r�i: � Interfa�a interactiv� cu utilizatorul, denumit� Front Panel, deoarece aceasta simuleaz� �i

reproduce panoul frontal al unui aparat fizic real, cu toate elementele de comand�, de vizualizare etc. aferente;

� Diagrama bloc, materializeaz�, sub forma grafic�, programul de func�ionare dorit, prin conectarea între ele a unor noduri ce execut� diverse opera�ii de achizi�ii de date, de prelucrare, de comand� etc., reprezentând codul surs� pentru instrumentul virtual realizat.

Panoul frontal realizat în vederea implement�rii programului de comand� a platformei

realizate, (Fig. 6), con�ine o serie de controale �i indicatoare, sub form� de butoane, c�su�e indicatoare �i aparate indicatoare, necesare pentru setarea pl�cii de achizi�ie LabPC+, pentru fixarea perioadei de e�antionare respectiv pentru setarea liniilor digitale de comunica�ie cu subsistemul hardware, pentru efectuarea comenzilor de pornire, oprire, reversare, regimul de func�ionare a celor dou� MPP. Astfel:

• Controlul “placa de achizi�ie” seteaz� pozi�ia pl�cii de achizi�ie din cadrul calculatorului;

• Controlul “digital canal out” este folosit pentru transmiterea semnalelor de la placa de achizi�ie LabPC+ la circuitele de comand� ale celor dou� MPP;

24 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

• Controlul “e�antionare” realizeaz� temporizarea buclei While din diagrama bloc, prin fixarea unei perioade de e�antionare corespunz�toare func�ion�rii corecte a programului elaborat;

• Cele dou� butoane “Enable” asigura circuitelor de comand� tensiunea de 5V, necesar� activ�rii celor dou� circuite de comand�, semnalul ENABLE (Fig.3), folosindu-se dou� linii digitale ale portului selectat;

• Controalele “sens motor 1” �i “sens motor 2”, realizeaz� comanda necesar� fix�rii sensurilor de rota�ie ale celor dou� motoare (CW/CCW – din Fig. 3);

• Butoanele pentru selectarea modurilor de operare half/full ale celor dou� motoare pas cu pas sunt “mod operare 1” �i “mod operare 2”;

• Controalele “line out for sens”, “line out for Half/Full”, “line out for sens 2”, “line out for Half/Full 2” permit înscrierea valorilor numerice care identific� liniile digitale din cadrul portului digital folosit;

• Butonul “Înainte” asigura înaintarea/sta�ionarea platformei comandate; • Viteza poate fi controlat� prin intermediul instrumentului de control “Perioada

dintre pulsuri” de pe panoul frontal; • Butonul “Pornit/Oprit” asigura func�ionarea instrumentului virtual, validarea

func�ion�rii buclei While.

Fig. 6 Panoul frontal de comanda a vehiculului ghidat automat

Diagrama bloc (Fig. 7) con�ine func�ii LabVIEW (subinstrumente virtuale), selectate din mediul de dezvoltare LabVIEW, care permit vehicularea dorit� a fluxului de informa�ii în scopul scrierii la portul digital selectat, setarea timerelor pl�cii de achizi�ii LabPC+ respective fixarea perioadei de e�antionare. Astfel:

• Func�ia “DIG LINE” seteaz� o valoare pe linia portului digital; • Func�ia “I CTR Control” programeaz� timerele de pe placa de achizi�ii; • Temporizarea buclei while se realizeaz� cu ajutorul instrumentului “Wait Until

Next ms Multiple”.

Pentru comanda celor dou� motoare sunt necesare semnale de clock cu frecven�� variabil�, semnale ce se cer aplicate celor dou� circuite L297, din cadrul celor dou� circuite de comand�, CC1 �i CC2 din Fig.1. Prin urmare, s-a apelat la ceasurile 1 �i 2, ale pl�cii de achizi�ie LabPC+,

G. GABOR, I. OLAH – INSTRUMENT VIRTUAL PENTRU CONDUCEREA UNUI VEHICUL GHIDAT AUTOMAT 25

care necesit� un semnal de clock pe intr�rile lor. În acest caz, s-a folosit ceasul 0 al pl�cii de achizi�ii LabPC+, ca generator de clock pentru cele dou� ceasuri. Pentru a realiza acest lucru s-a legat ie�irea ceasului 0 care lucreaz� la o frecve�� de 2 Mhz, reprezentat prin pinul 41 al pl�cii de achizi�ie, la intr�rile de clock ale ceasurilor 1 �i 2, programate corespunz�tor, reprezentate prin pinii 45 respectiv 48 ai pl�cii de achizi�ie LabPC+ (Fig. 1).

Semnifica�ia controlului “Perioada dintre pulsuri” de pe panoul frontal are un corespondent în diagrama block reprezentat sub forma unui num�r de tip “double”, cu acela�i nume, care realizeaz� o scalare a clockului fiec�ruia dintre ceasurile programate în acela�i mod de operare. Gama de valori rezultat la ie�irea pl�cii de achizi�ie, în urma alegerii modului de programare, ale celor dou� timere, este cuprins� între 200Hz �i 1MHz.

Instrumentul virtual descris mai sus, a fost implementat pe un calculator PC Pentium, 233 MHz, 32 RAM.

�

Fig. 7. Diagrama bloc corespunzatoare panoului frontal de comanda a vehiculului ghidat automat

4. ÎNCERC�RI EXPERIMENTALE

Încerc�rile experimentale au fost efectuate prin cuplarea calculatorului, echipat cu placa de

achizi�ie LabPC+, cu circuitele de comand� CC1 �i CC2, din Fig.5, respectiv paltforma mobil�, din Fig.4. Mediul de comunica�ie dintre circuitul de comand� �i platforma mobil�, pentru aceast� etap� a cercet�rilor, este un cordon ombilical. În urma experimentelor efectuate, s-a constatat func�ionarea corect� a ansamblului realizat. Aceast� func�ionare este confirmat� de materialele video ata�ate prezentei lucr�ri. Este evident c�, datorit� comenzii în circuit deschis a celor dou� MPP la frecven�e prea ridicate de comand� poate apare pericolul de pierderi de pa�i, în special în prezen�a unor inc�rc�ri ale plarformei mobile.

De asemenea, se precizeaz� faptul c�, în varianta actual� a modului de comand�, comenzile sunt efectuate cu ajutorul mouse-lui calculatorului, urmând ca într-o variant� urm�toare aceste comenzi s� fie efectuate cu ajutorul tastelor calculatorului, corespunz�tor configurate.

În viitor, în programul de conducere a platformei mobile, se preconizeaz� introducerea unei etape de înv��are a comenzilor manual elaborate, în scopul rul�rii automate a acestor programe. Apoi vor fi scrise programe independente de urm�rire a unei traiectorii prestabilite, în func�ie de necesit��ile scenei de operare.

26 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

4. CONCLUZII Realiz�rile hardware �i software, respectiv încerc�rile experimentale efectuate au confirmat

utilitatea utiliz�rii instrumenta�iei virtuale în vederea efectu�rii unor cercet�ri teoretice �i experimentale privind conducerea unor vehicule ghidate automat. În acest fel a rezultat o lucrare interesant� �i cu mare flexibilitate pentru instruirea studen�ilor în domeniul instrumenta�iei virtuale.

Cercet�rile se cer continuate în vederea dezvolt�rii modalit��ilor de conducere dup� o traiectorie dorit� a vehiculelor ghidate automat.

Acknowledgment Aceast� lucrare a reprezentat un proiect de diplom� �i contribuie la dotarea catedrei de

Automatic� �i Informatic� Aplicat�, a Facult��ii de Automatica �i Calculatoare, de la Universitatea Tehnic� “Gh. Asachi” din Ia�i.

Bibliografie

[1] D. P�nescu, “Robotic�”, Universitatea Tehnic� “Gh. Asachi” din Ia�i, Facultatea de

Automatica �i Calculatoare, note de curs, 2004. [2] C. Pal, “Robo�i industriali”, Universitatea Tehnic� “Gh. Asachi” din Ia�i, Facultatea de

Automatica �i Calculatoare, note de curs, 2004. [3] M. Ni�ulescuL. Ciobanu, T. Savu, G. Savu, “Robo�i mobili”, Editura Sitech, Craiova,

1998. [4]D. Floreano and F. Mondada, “Automatic creation of autonomous agent: genetic

evolution of neural-network driven robot”., 1994. In D. Cliff, P. Husbands, J. Meyer and S. W. Wilson, editors, From Animals to Animats III: Proceedings of The Third International Conference on Simulation of Adaptive Behavior. pages 402-410 MIT Press-Bradford Books, Cambridge, MA.

[5] G. Muscato and G. Nunnari, “Legs or wheels? Wheeleg - a hybrid solution”, Dipartimento Elettrico Elettronico e Sistemistico, Universita degli Studi di Catania, Italy

[6] I. Olah, �t. Dumbrav�, L. Mastacan, L.Anita, M. Ghercioiu, A Virtual Instrument for Teaching Industrial Process Control, In Proc. of ACE '97, the 4 th IFAC Symposium on Advances on Control Education, Istambul, Turkey, pp 425-430, 1997.

[7] G. W. Johnson, LabVIEW, Graphical Programming, McGrow- Hill, Inc, New York, 1994.

[8]*** SGS-Thomson Microelectronics, 1994

Georgel GABOR Inginer (2005), Masterand în Tehnici avansate de conducere a

sistemelor tehnice (2006). Iosif OLAH Doctor inginer în specialitatea Automatizari �i telecomenzi (1976), Diploma

de Inventator de elit�, clasa a V-a, Conferen�iar universitar emerit (1987). Titular al cursurilor de Echipamente �i structuri conven�ionale de automatizare (Facultatea de Automatica si Calculatoare), Sisteme automate ( Facultatea de Mecanic�, sec�ia Mecatronic� ), medalii la diverse saloane de inven�ii, Membru în asocia�ii profesionale: Societatea Româna de M�sur�ri, Societatea de Instala�ii Electrice �i de Automatiz�ri din România, Societatea Inventatorilor din România, Societatea Român� de Automatica si Informatic� Tehnic�, BUFSA - Balcan Union of Fuzzy Systems & A.I., EURO Working Group on Fuzzy Sets (EUROFUSE), peste 100 de lucr�ri �tiin�ifice publicate în reviste, din �ar� �i în str�in�tate, 18 brevete de inven�ii acordate �i aplicate �n practic�, peste 30 de lucr�ri de cercetare pe baz� de contract, 5 inova�ii aplicate in practic�. Domeniile de interes: Echipamente �i structuri conven�ionale de automatizare, Identificarea proceselor, Conducerea cu calculator a proceselor industriale.